摘 要

随着交通行业的发展，高墩桥梁得到了空前的运用，超过50m高墩桥梁的成为了桥梁工程的新热点。高墩刚构桥梁的柔性较大，阻尼小，变形能力强于普通桥梁。但是在近几年的地震灾害中，特别是几次大地震中，发生了许多起桥梁受损严重，甚至桥梁倒塌的事件，给国家和人民造成了巨大的损失。高墩刚构桥梁大多运用于山区高等级道路中，一旦产生损毁，后果不堪设想。在自然环境中，桥梁结构不可避免地会产生各种各样的劣化现象，其中较为普遍的是混凝土保护层剥落。这会导致桥墩截面积减小，纵向受力钢筋的侧向约束下降，也会使得纵向受力钢筋直接暴露在环境当中，加速其锈蚀。因此对于此类桥梁的抗震性能研究，有着极其重要的意义。

本文采用美国加州大学伯克利分校开发的OpenSees这一抗震分析软件，对混凝土保护层剥落的高墩抗震性能进行了研究分析，主要包括了截面静力极限承载能力分析，E1、E2地震下的时程分析和最大悬臂施工阶段顺桥向稳定性分析成桥运营阶段的竖向稳定性分析等几个部分。具体包括：

（1）通过调查国内外相关资料，归纳总结桥墩的破坏模式，明确了研究方向——外保护层剥落对高墩抗震性能的影响。考虑到非线性，具体考虑了材料非线性和几何非线性。通过对比当前几大有限元分析软件的特点，提出利用OpenSees软件内嵌的纤维单元模型来解决非线性分析问题。

（2）建立桥墩模型。以湖北省境内某一高墩特大桥为算例，基于OpenSees软件建立了纤维单元桥墩模型。分析了截面纤维不同划分方法对结果精确度的影响，选取了一种在保证精度的前提下，运算量较小的纤维划分形式，并考虑了大轴压比可能导致纵向受力钢筋屈曲的情况，将其简化为屈曲后就立即退出受力。

（3）建立不同剥落位置下的分析模型模拟自然环境下保护层剥落的随机分布，分析了各工况下桥墩不同截面位置的轴压承载力；并通过建立零长度单元，分析了分析了各工况下桥墩不同截面位置的偏压承载力。

（4）采用IDA进行稳定性分析，并考虑了P-Δ效应对倒塌稳定性的影响。通过查阅文献，针对最大悬臂施工阶段的桥墩，基于B-R准则建立顺桥向垮塌标准，分析了墩顶顺桥向稳定性。针对成桥运营阶段的桥墩，建立了基于DM的竖向倒塌判别标准，分析了墩顶竖向向稳定性。通过IDA方法，结合特征响应，分别找出各工况下结构发生稳定性破坏的临界PGA。

关键字：高墩桥梁； 材料劣化； 承载力；时程分析； IDA

Abstract

With the development of traffic, bridge with high pier has been used unprecedentedly. Bridges with high pier above 50m become a new hot spot of bridge engineering. Bridge with high pier is relatively flexible, low damping, deformation ability in ordinary bridge. But in recent years, in the earthquake disaster, especially in several big earthquakes, many serious bridges have been damaged, which has caused great losses to the country and the people. Rigid frame bridges with high pier are mostly used in high-grade roads in mountain areas. Once damaged, the consequences will be disastrous. Therefore, it is of great significance to study the seismic performance of such bridges.

This paper adopts the OpenSees of University of California at Berkeley which is a seismic analysis software, the seismic performance of high pier concrete spalling protection are analyzed, including the static ultimate bearing capacity analysis section, E1, E2 and seismic time history analysis under the largest cantilever construction stage along the bridge stability analysis into vertical stability analysis of several bridges the operational phase of the part.

(1) By investigating the relevant data at home and abroad, the failure modes of pier are summarized, and the influence of spalling of outer protective coating on seismic performance of high pier is clarified. Considering the nonlinearity, the material nonlinearity and geometrical nonlinearity are considered. By comparing the characteristics of several large finite element analysis software, a fiber element model embedded in OpenSees software is proposed to solve the nonlinear analysis problem.

(2) Establish pier model. Taking a high pier bridge in Hubei Province as an example, a fiber element pier model is established based on OpenSees software. Analysis of the impact of different classification methods of fiber cross-section accuracy results, select a under the premise of ensuring accuracy, less computation of the fiber into the form, and considering the axial compression ratio may lead to longitudinal reinforcement buckling, the simplified buckling stress immediately after exit.

(3) Random distribution protection layer spalling analysis model different spalling position under simulated natural environment, analyzed under the condition of different pier section position of axial bearing capacity; and through the establishment of a zero length element, analyzes the various conditions of different section pier position bias load.

(4) The stability analysis is carried out by using IDA, and the influence of P- delta effect on collapse stability is considered. Through literature, aiming at the largest cantilever construction stage of piers, based on the B-R criterion established along the bridge to collapse, analysis of pier top longitudinal stability. According to the operational phase of the bridge pier, built the DM vertical collapse criterion based on the analysis of pier top vertical stability. Through the IDA method, combined with the characteristic response, the critical PGA of the stability and failure of the structure under different working conditions is found respectively.

Keywords: bridge with high pier; material deterioration; bearing capacity; time-history analysis; IDA

目录

摘要 I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 桥墩的主要震害 1

1.2.1 破坏形式 1

1.3 国内外对大跨高墩桥梁的抗震研究 1

1.3.1 大跨高墩桥梁抗震研究分析的现状 1

1.3.2 当前研究现状的局限 2

1.4 动力稳定研究方法 2

1.5 本文分析研究的主要内容 3

第2章 非线性分析理论 4

2.1 材料的非线性 4

2.1.1 混凝土材料非线性 4

2.1.2 钢筋材料非线性 5

2.2 几何非线性 5

2.3 纤维模型及其特点 5

2.3.1 有限元分析软件的介绍 5

2.3.2 纤维模型的特点 6

第3章 模型的建立 8

3.1 模型简介 8

3.2 划分纤维截面 8

3.3 纵向受力钢筋屈曲的分析 9

3.4 工况划分 11

3.4.1 静力分析 11

3.4.2 动态时程分析 12

第4章 静力极限承载能力分析 13

4.1 轴压承载力 13

4.1.1 墩的截面尺寸 13

4.1.2 计算过程 13

4.1.3 截面承载力运算结果 15

4.1.4 总结分析 16

4.2 偏压承载力 16

4.2.1 计算说明 17

4.2.2 总结分析 19

第5章 动态时程分析 20

5.1 动态时程分析方法的介绍 20

5.2 地震波的选取 20

5.3 地震响应分析 21

5.3.1 E1地震作用下的结构分析 21

5.3.2 E2地震作用下的结构分析 27

第6章 基于IDA的高墩最大悬臂施工状态垮塌稳定性分析 33

6.1 IDA方法的介绍 33

6.2 p-Δ效应对垮塌稳定性的影响 33

6.3 顺桥向垮塌标准的建立 34

6.4 顺桥向稳定性分析 35

6.4.1 高墩结构顺桥向垮塌分析 35

6.4.2 墩顶最大位移和峰值加速度的关系 36

第7章 成桥运营阶段的稳定性分析 39

7.1 计算模型 39

7.2 竖向倒塌标准的建立 39

7.3 竖向稳定性分析 40

第8章 总结与展望 41

8.1 本文的主要研究成果和总结 41

8.2 今后研究工作的展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1 研究背景

大跨高墩桥梁具有造型刚峻、柔度大，场地适应性强等多方面的优点，我国的山区桥梁广泛采取这一设计形式。然而这种结构的受力形式随墩高的差异而变化，动力性能更复杂。而我国西部山区地处地震易发、多发地带，对桥梁的抗震性能有着更严苛的要求，但现行的《公路桥梁抗震细则》（JTG/TB 02-01—2008）^[1]主要适用于墩高不超过40m的桥梁，而我国山区桥梁的墩高普遍超过50m，其中超过100m的占了很大的比例，现行规范远远满足不了现实的需求。加之缺乏相关资料，我国桥梁设计人员对抗震的认识不够，因此对高墩桥梁的抗震研究迫在眉睫，这对维护我国交通安全也有着极其重要的理论和现实指导意义。

1.2 桥墩的主要震害

1.2.1 破坏形式

根据桥墩的材料特性、配筋情况、外荷载形式与加载方式的不同，大体可以将桥墩的破坏状态分成三种：